第七章 彩色数字电视基础

7.3 电视图象数据化
• 7.3.1 数字化的方法
– 从复合彩色电视图象中分离彩色分量然后数 字化。 – 数字化复合彩色电视图象然后分离。
7.3.2 数字化标准
• 早在20世纪80年代初，国际无线电咨询委员会 CCIR(International Radio Consultative Committee) 就制定了彩色电视图像数字化标准，称为CCIR 601标 准，现改为ITU-R BT.601标准。 • 该标准规定了彩色电视图像转换成数字图像时使用的 采样频率，RGB和YCbCr(或者写成YCBCR)两个彩色空间 之间的转换关系等。
– (1) 必需采用与黑白电视相同的一些基本参数，如扫描方式、 扫描行频、场频、帧频、同步信号、图像载频、伴音载频等 等。 – (2) 需要将摄像机输出的三基色信号转换成一个亮度信号，以 及代表色度的两个色差信号，并将它们组合成一个彩色全电 视信号进行传送。在接收端，彩色电视机将彩色全电视信号 重新转换成三个基色信号，在显象管上重现发送端的彩色图 像。
• 3、有效显示分辨率：有效分辨率720个 • 对PAL制和SECAM制的亮度信号，每一条 扫描行采样864个样本；对NTSC制的亮度 信号，每一条扫描行采样858个样本。对 所有的制式，每一扫描行的显示样本数 均为720个。
• 4、ITU-R BT.601标准摘要
– 用于对隔行扫描电视图象进行数据化时，对 NTSCPAL制式彩色电视的采样频率和有效显示分辨 率的规定。
• SECAM制
– 与PAL类似
• 三种制式的比较
7.1.3 彩色电视
• 彩色电视是在黑白电视基础上发展起来的。彩 色电视的许多特性，如扫描、同步等都与黑白 电视相同，不同的是显示的图像的颜色不同。 • 根据三基色的基本原理，任何一种颜色都可以 用R、G、B三个彩色分量按一定的比例混合得 到，但要精确地复显自然景物中的彩色确是相 当困难的。值得庆幸的是，科学家们对人的彩 色视觉特性经过长期研究后发现，在重显自然 景物彩色过程中，并不一定要恢复原景物辐射 的所有光波成分，而重要的是获得与原景物相 同的彩色感觉。
3. SECAM
• SECAM (法文：Sequential Coleur Avec Memoire)制式是法国开发的一种彩色电视广播 标准，称为顺序传送彩色与存储制。这种制式 与PAL制类似，其差别是SECAM中的色度信号 是频率调制(FM)，而且它的两个色差信号：红 色差(R'-Y')和蓝色差(B'-Y')信号是按行的顺序 传输的。法国、俄罗斯、东欧和中东等约有65 个地区和国家使用这种制式，图像格式为4:3， 625线，50 Hz，6 MHz电视信号带宽，总带宽 8MHz。
• 7.4.1 图像子采样概要 • 对彩色电视图像进行采样时，可以采用两种采 样方法。一种是使用相同的采样频率对图像的 亮度信号和色差信号进行采样，另一种是对亮 度信号和色差信号分别采用不同的采样频率进 行采样。如果对色差信号使用的采样频率比对 亮度信号使用的采样频率低，这种采样就称为 图像子采样(subsampling)。
• 2、采样频率：
–CCIR为NTSC制、PAL制和SECAM制规定了共同的电视 图像采样频率。这个采样频率也用于远程图像通信 网络中的电视图像信号采样，如ISDN、电视会议、 CCITT-H.261及光纤通信等。 –对PAL制、SECAM制，采样频率fs为 fs=625×25×N=15625×N=13.5MHz, N=864 其中，N为每一扫描行上的采样数目。 –对NTSC制，采样频率fs为 fs=525×29.97×N=15734×N=13.5 MHz, N=858 其中，N为每一扫描行上的采样数目。
7.4 图象子采样
• 7.4.1 图象子采样概要
– 对亮度和色差使用不同的采样频率 – 几种格式：
• • • • 4：4：4， 4：2：2， 4：1：1， 4：2：0
• • • •
7.4.2 7.4.3 7.4.4 7.4.5
4:4:4 4:2:2 4:1:1 4:2:0

YCbCr格式 YCbCr格式 YCbCr格式 YCbCr格式
• 在彩色电视中，用Y、C1, C2彩色表示法分别表示亮度 信号和两个色差信号，C1，C2的含义与具体的应用有关。 在彩色电视中，使用Y、C1，C2有两个重要优点: • ①Y和C1，C2是独立的，因此彩色电视和黑白电视可以 同时使用，Y分量可由黑白电视接收机直接使用而不需 做任何进一步的处理； • ②可以利用人的视觉特性来节省信号的带宽和功率，通 过选择合适的颜色模型，可以使C1，C2的带宽明显低于 Y的带宽，而又不明显影响重显彩色图像的观看。因此， 为了满足兼容性的要求，彩色电视系统选择了一个亮度 信号和两个色差信号，而不直接选择三个基色信号进行 发送和接收。
• 7.1.1 简介 • 目前世界上现行的彩色电视制式有三种： NTSC制、PAL制和SECAM制。这里不 包括高清晰度彩色电视HDTV (HighDefinition television)。数字彩色电视是从 模拟彩色电视基础上发展而来的，因此 在多媒体技术中经常会碰到这些术语。
• NTSC(National Television Systems Committee)彩色电视 制是1952年美国国家电视标准委员会定义的彩色电视 广播标准，称为正交平衡调幅制。美国、加拿大等大 部分西半球国家，以及日本、韩国、菲律宾等国和中 国的台湾采用这种制式。 • 由于NTSC制存在相位敏感造成彩色失真的缺点，因此 德国(当时的西德)于1962年制定了PAL(PhaseAlternative Line)制彩色电视广播标准，称为逐行倒相 正交平衡调幅制。德国、英国等一些西欧国家，以及 中国、朝鲜等国家采用这种制式。 • 法国制定了SECAM (法文：Sequential Coleur Avec Memoire)彩色电视广播标准，称为顺序传送彩色与存 储制。法国、苏联及东欧国家采用这种制式。世界上 约有65个地区和国家试验这种制式。
彩色数字电视基础
• 7.1 彩色电视制式 • 电视是20世纪20年代的伟大发明，在50年代开发电视 技术时，用任何一种数字技术来传输和再现真实世界 的图像和声音都是极其困难的，因此电视技术一直沿 着模拟信号处理技术的方向发展，直到70年代才开始 开发数字电视。由于数字技术具有许多优越性，而且 数字技术发展到足以使模拟电视向数字电视过渡的水 平，电视和计算机才开始融合在一起。 • 彩色数字电视是从模拟电视和模拟彩色电视发展而来 的，因此本章的前半部分将介绍模拟电视的一些基本 常识，而后半部分将介绍彩色数字电视的基本常识。 这些基本常识对理解MPEG电视是极其有用的。
• 图像子采样在数字图像压缩技术中得到广泛的应用。 可以说，在彩色图像压缩技术中，最简便的图像压缩 技术恐怕就要算图像子采样了。这种压缩方法的基本 根据是人的视觉系统所具有的两条特性： • 一是人眼对色度信号的敏感程度比对亮度信号的敏感 程度低，利用这个特性可以把图像中表达颜色的信号 去掉一些而使人不察觉； • 二是人眼对图像细节的分辨能力有一定的限度，利用 这个特性可以把图像中的高频信号去掉而使人不易察 觉。子采样也就是利用人的视觉系统这两个特性来达 到压缩彩色电视信号。
– – – – 625行/帧，25帧/秒（40ms/帧） 宽高比：4：3 隔行扫描，2场/帧，312.5行/场 颜色模型：YUV
2. NTSC制的扫描特性
• NTSC彩色电视制的主要特性是： • (1) 525行/帧, 30帧/秒(29.97 fps, 33.37 ms/frame) • (2) 高宽比：电视画面的长宽比(电视为4:3；电影为3:2； 高清晰度电视为16:9) • (3) 隔行扫描，一帧分成2场(field)，262.5线/场 • (4) 在每场的开始部分保留20扫描线作为控制信息，因 此只有485条线的可视数据。Laser disc约~420线，SVHS约~320线 • (5) 每行63.5微秒，水平回扫时间10微秒(包含5微秒的 水平同步脉冲)，所以显示时间是53.5微秒。 • (6) 颜色模型：YIQ
• NTSC制、PAL制和SECAM制都是兼容制制式。这里 说的“兼容”有两层意思：
– 一是指黑白电视机能接收彩色电视广播，显示的是黑白图像. – 另一层意思是彩色电视机能接收黑白电视广播，显示的也是 黑白图像，这叫逆兼容性。
• 为了既能实现兼容性而又要有彩色特性，因此彩色电 视系统应满足下列几方面的要求：
• 1、颜色空间之间的转换 • 在数字域而不是模拟域中RGB和YCbCr两 个彩色空间之间的转换关系用下式表示
• Y = 0.299R + 0.587G + 0.114B • Cr = (0.500R - 0.4187G - 0.0813B) + 128 • Cb = (-0.1687R - 0.3313G + 0.500B) + 128
– H.261,H.263,MPEG-1 – MPEG-2
7.2 彩色电视信号的类型
• 7.2.1 复合电视信号
– 包含亮度信号色差信号和所有定时信号的单 一信号 – 黑白全电视信号 – 彩色全电视信号
• 7.2.2 分量电视信号
– 每个基色分量作为独立的电视信号。
• 7.2.3 S-Video信号
– 亮度和色差分离的一种电视信号 – 减少亮度信号和色差信号之间的交叉干扰 – 不需要适用滤波器来分离亮度和色差信号， 提高亮度信号的带宽。 – Y/C两条信号线，4针连接器
7.1.2 电视扫描与同步
• 扫描有隔行扫描(interlaced scanning)和 非隔行扫描之分。非隔行扫描也称逐行 扫描。黑白电视和彩色电视都用隔行扫 描，而计算机显示图像时一般都采用非 隔行扫描。
• 隔行扫描与非隔行扫描
– 隔行扫描：总行数为奇数 – 行频fH,场频ff，帧频fF
• 1. PAL制电视的扫描特性